DE102015121988A1

DE102015121988A1 - Laser processing system with selectable wavelength of the processing beam

Info

Publication number: DE102015121988A1
Application number: DE102015121988.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Popp
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: DE102015121988B4

Abstract

Es wird ein Strahlführungssystem (3) für eine Laserbearbeitungsanlage (1) zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks (8) mit einem primären Laserbearbeitungsstrahl (6) und/oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl (44) offenbart. Das Strahlführungssystem (3) weist ein Polarisationszustand-einstellendes Element (38) zum Bereitstellen eines ersten Polarisationszustands (36A) und/oder eines zweiten Polarisationszustands (36B) des zu führenden Laserstrahls (34) auf. In einer Frequenzkonversionseinheit (30, 30A, 30B) des Strahlführungssystem (3), die eine Metamaterialstruktur (42) aufweist, wird der Laserstrahl (34) im ersten Polarisationszustand (36A) nicht frequenzkonvertiert und als primärer Laserbearbeitungsstrahl (6) weitergeführt. In der Frequenzkonversionseinheit (30, 30A, 30B) erfolgt im zweiten Polarisationszustand (36B) eine auf der Metamaterialstruktur (42) basierende Frequenzkonversion zur Erzeugung des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls (44). Ferner weist das Strahlführungssystem (3) eine Fokussiereinheit (46) zum Fokussieren des primären Laserbearbeitungsstrahls (6) und/oder des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls (44) auf das zu bearbeitende Werkstück (8) auf.A beam guidance system (3) for a laser processing system (1) for selectively machining a workpiece (8) with a primary laser processing beam (6) and / or a laser-beam-based frequency-converted processing beam (44) is disclosed. The beam guiding system (3) has a polarization state setting element (38) for providing a first polarization state (36A) and / or a second polarization state (36B) of the laser beam (34) to be guided. In a frequency conversion unit (30, 30A, 30B) of the beam guidance system (3), which has a metamaterial structure (42), the laser beam (34) is not frequency-converted in the first polarization state (36A) and continues as the primary laser processing beam (6). In the frequency conversion unit (30, 30A, 30B), a frequency conversion based on the metamaterial structure (42) is carried out in the second polarization state (36B) to produce the frequency-converted processing beam (44). Furthermore, the beam guidance system (3) has a focusing unit (46) for focusing the primary laser machining beam (6) and / or the frequency-converted machining beam (44) onto the workpiece (8) to be machined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserbearbeitungsstrahl oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen eines Laserbearbeitungsstrahls und/oder eines auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks.The present invention relates to a laser processing system for processing a workpiece with a processing beam, in particular for selectively processing a workpiece with a laser processing beam or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam. Furthermore, the invention relates to a method for providing a laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam for processing a workpiece.

Es ist bekannt, dass eine Materialbearbeitung eines Werkstücks von Parametern eines Bearbeitungsstrahls abhängt. Beispielhafte Parameter sind insbesondere für einen Laserschneidvorgang die Wellenlänge, die Strahlqualität und die Möglichkeit zur räumlich-zeitlichen Variation derartiger Parameter. Beispielsweise offenbart US 2001/0030176 A1 ein Lasersystem zum Bearbeiten von Leiterplatten, wobei eine bereits frequenzverdoppelte Laserstrahlung eines Festkörperlasers mit einer Pockels-Zelle und einem nichtlinearen Kristall einstellbar weiter frequenzkonvertiert werden kann. Dadurch wird eine Bearbeitung mit zwei verschiedenen Harmonischen der Laserstrahlung des Lasersystems möglich. US 5,361,268 offenbart eine entsprechende Anordnung zur einstellbaren Frequenzkonversion, die in einen Laserresonator integriert ist. It is known that material processing of a workpiece depends on parameters of a processing beam. Exemplary parameters are, in particular for a laser cutting process, the wavelength, the beam quality and the possibility of spatial-temporal variation of such parameters. For example disclosed US 2001/0030176 A1 a laser system for processing printed circuit boards, wherein an already frequency-doubled laser radiation of a solid-state laser with a Pockels cell and a non-linear crystal can be adjustably further frequency-converted. As a result, a processing with two different harmonics of the laser radiation of the laser system is possible. US 5,361,268 discloses a corresponding arrangement for adjustable frequency conversion, which is integrated in a laser resonator.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen (Laser-)Bearbeitungsstrahl ausgehend von einem Laserstrahl eines Lasersystems bei verschiedenen Wellenlängen, insbesondere bei harmonischen Frequenzen eines primären Laserstrahls für die Laserbearbeitung beispielsweise in einer Laserbearbeitungsanlage bereitzustellen.The present invention has for its object to provide a (laser) processing beam starting from a laser beam of a laser system at different wavelengths, in particular at harmonic frequencies of a primary laser beam for laser processing, for example in a laser processing system.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strahlführungssystem nach Anspruch 1, eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 11 und durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 14. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a beam guiding system according to claim 1, a laser machining system according to claim 11 and by a method for machining a workpiece according to claim 14. Further developments are specified in the subclaims.

In einem Aspekt ist ein Strahlführungssystem für eine Laserbearbeitungsanlage zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks mit einem primären Laserbearbeitungsstrahl und/oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl offenbart. Das Strahlführungssystem weist einen Strahleingang zum Aufnehmen eines zu einem Werkstück zu führenden Laserstrahls und ein Polarisationszustand-einstellendes Element zum Bereitstellen eines ersten Polarisationszustands und/oder eines zweiten Polarisationszustands des zu führenden Laserstrahls auf. Ferner weist das Strahlführungssystem eine Frequenzkonversionseinheit mit einer Metamaterialstruktur auf, die den Laserstrahl im ersten Polarisationszustand nicht frequenzkonvertiert und als den primären Laserbearbeitungsstrahl weiterführt und die für den Laserstrahl im zweiten Polarisationszustand eine auf der Metamaterialstruktur basierende Frequenzkonversion zur Erzeugung des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls bewirkt. Ferner weist das Strahlführungssystem eine Fokussiereinheit zum Fokussieren des primären Laserbearbeitungsstrahls und/oder des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück auf.In one aspect, a beam delivery system for a laser processing system for selectively machining a workpiece with a primary laser processing beam and / or a laser beam processing frequency-converted processing beam is disclosed. The beam guidance system has a beam entrance for receiving a laser beam to be guided to a workpiece and a polarization state setting element for providing a first polarization state and / or a second polarization state of the laser beam to be guided. Furthermore, the beam guidance system has a frequency conversion unit with a metamaterial structure which does not frequency-convert the laser beam in the first polarization state and continues as the primary laser processing beam and which effects a frequency conversion based on the metamaterial structure for generating the frequency-converted processing beam for the laser beam in the second polarization state. Furthermore, the beam guidance system has a focusing unit for focusing the primary laser machining beam and / or the frequency-converted machining beam onto the workpiece to be machined.

In einem weiteren Aspekt ist eine Laserbearbeitungsanlage zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserbearbeitungsstrahl und/oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl offenbart. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst eine einen primären Laserstrahl bereitstellende Laserstrahlquelle, ein wie oben zusammengefasstes Strahlführungssystem und insbesondere eine Werkstücklagerungseinheit.In a further aspect, a laser processing system for selectively machining a workpiece with a laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam is disclosed. The laser processing system comprises a laser beam source providing a primary laser beam, a beam guidance system as summarized above, and in particular a workpiece storage unit.

In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen eines Laserbearbeitungsstrahls und/oder eines auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks die folgenden Schritte: Bereitstellen einer wie oben skizzierten Laserbearbeitungsanlage mit einer Steuerungseinheit, Veranlassen der Steuerungseinheit, das Polarisationszustand-einstellende Element im Strahlführungssystem der Laserbearbeitungsanlage in Abhängigkeit von einem Bearbeitungsmode derart anzusteuern, dass in einem Schneidmodus für hohe Qualität der primäre Laserstrahl als Laserbearbeitungsstrahl und in einem Schneidmodus mit hoher Vorschubgeschwindigkeit der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl für die Werkstückbearbeitung bereitgestellt wird, und Durchführen der Werkstückbearbeitung.In a further aspect, a method for providing a laser processing beam and / or a laser beam processing frequency-converted processing beam for processing a workpiece comprises the following steps: providing a laser processing system as outlined above with a control unit, causing the control unit, the polarization state-adjusting element in the beam guidance system the laser processing apparatus in response to a machining mode to drive in a cutting mode for high quality of the primary laser beam as a laser processing beam and in a high-speed cutting mode, the frequency-converted machining beam for workpiece machining, and performing the workpiece machining.

Als frequenzkonvertierende Metamaterialien werden hierin Leiter-Nichtleiter-Verbundmaterialien bezeichnet. Metamaterialien weisen metallische Nanostrukturen auf, die Ausmaße und Formgebungen aufweisen können, die kleiner als die relevante Wellenlänge sind. Die optischen Eigenschaften ergeben sich aus der Ausbildung von kollektiven Elektronenoszillationen bzw. sogenannten Plasmonen. Dabei kann jede einzelne Nanostruktur als ein Meta-Atom betrachtet werden, dessen optischen Resonanzeigenschaften insbesondere von der Form der Nanostruktur, den dielektrischen Eigenschaften der verwendeten Materialien und der Umgebung abhängen. Üblicherweise handelt es sich um metallische Metamaterialien, die auch als „magnetic metamaterials“ bekannt sind. Insbesondere erlauben es Metamaterialien, die beispielsweise als Metaoberflächen auf einer Oberfläche oder als eine Oberflächen ausgebildet sind, bei Laserlichteinfall frequenzkonvertiertes Licht bei einer Harmonischen der Frequenz des einfallenden Laserstrahls, insbesondere im Bereich der zweiten oder dritten Harmonischen, zu erzeugen. Insbesondere erfolgt die Abstrahlung aufgrund von frei beweglichen Elektronen in leitenden Strukturen der Metamaterialstruktur, die eine speziell ausgelegte Elektronenbewegung in Reaktion auf den einfallenden Laserstrahl ermöglichen. Die Elektronenbewegung führt dann zu einer Abstrahlung von Licht mit Wellenlänge einer oder mehrerer höheren Harmonischen des einfallenden Laserstrahls. Dieses Licht kann derart erzeugt werden, dass es sich strahlähnlich entlang einer Richtung ausbreitet, und wird entsprechend hierin als frequenzkonvertierter Bearbeitungsstrahl bezeichnet. Da die Elementarstruktur des Metamaterials kleiner ist als die zu konvertierende Laserwellenlänge, weist eine Metamaterialstruktur für eine Wellenlänge von 10 μm größere Elementarstrukturen auf als eine Metamaterialstruktur für kürzere Wellenlängen. Metamaterialstruktur für eine Wellenlänge von 10 μm können somit in einigen Ausführungsformen einfacher zu realisieren sein als Ausführungsformen, die beispielsweise auf eine Wellenlänge von 1 μm ausgerichtet sind. Die hierin offenbarten Konzepte beschränken sich nicht auf die Konversion von einer Grundwellenlänge von diesen z.B. 10 μm in die zweite Harmonische bei z.B. 5 μm, sondern sind allgemeine auf durch Laser erzeugbare Wellenlängen übertragbar.As frequency-converting metamaterials herein are referred ladder-non-conductor composite materials. Metamaterials have metallic nanostructures that may have dimensions and shapes that are smaller than the relevant wavelength. The optical properties result from the formation of collective electron oscillations or so-called plasmons. Each individual nanostructure can be regarded as a meta-atom whose optical resonance properties depend in particular on the shape of the nanostructure, the dielectric properties of the materials used and the environment. Typically, these are metallic metamaterials, also known as magnetic metamaterials. In particular, allow it Metamaterials, which are formed, for example, as meta-surfaces on a surface or as a surface to generate at laser light incidence frequency-converted light at a harmonic frequency of the incident laser beam, in particular in the second or third harmonic. In particular, the radiation due to free-moving electrons in conductive structures of the metamaterial structure, which allow a specially designed electron movement in response to the incident laser beam. The movement of the electrons then results in the emission of light having the wavelength of one or more higher harmonics of the incident laser beam. This light may be generated to propagate in a beam-like manner along one direction and is referred to herein as a frequency-converted processing beam. Since the elemental structure of the metamaterial is smaller than the laser wavelength to be converted, a metamaterial structure for a wavelength of 10 μm has larger elemental structures than a metamaterial structure for shorter wavelengths. Thus, in some embodiments, metamaterial structure for a wavelength of 10 microns may be easier to implement than embodiments oriented, for example, to a wavelength of 1 micron. The concepts disclosed herein are not limited to conversion from a fundamental wavelength of these, eg, 10 microns to the second harmonic at, for example, 5 microns, but are generally transmittable to laser-producible wavelengths.

Als Polarisationszustand wird hierin insbesondere die Polarisationsart (linear, zirkular, elliptisch, radial, azimutal) und deren räumliche Orientierung bezüglich der Nanostruktur des Metamaterials – allgemein die Orientierung beispielsweise des E-Feldvektors relativ zum Metamaterial – verstanden. In einigen Ausführungsbeispielen betrifft der Wechsel eines Polarisationszustands die Orientierung der linearen Polarisationsrichtung oder der „Polarisations“-Ellipse bezüglich der Nanostruktur des Metamaterials. So erlaubt es das Polarisationszustandeinstellende Element zum Bereitstellen eines ersten Polarisationszustands und/oder eines zweiten Polarisationszustands eine Orientierung beispielsweise einer linearen Polarisation im Raum, d.h. eine Orientierung des E-Feldvektors relativ zum Metamaterial, insbesondere zu dessen Elementarstrukturen, einzustellen. In einigen Ausführungsformen betrifft der Wechsel eines Polarisationszustands einen Wechsel von einer Polarisation in eine andere Polarisation, beispielsweise einen Wechsel zwischen radialer und azimutaler Polarisation. Überdies können Überlagerungen von Polarisationszuständen dazu genutzt werden, ein Verhältnis zwischen frequenzkonvertiertem Bearbeitungsstrahl und Laserbearbeitungsstrahl einzustellen.The polarization state is understood here in particular as the polarization type (linear, circular, elliptical, radial, azimuthal) and its spatial orientation with respect to the nanostructure of the metamaterial-generally the orientation of, for example, the E-field vector relative to the metamaterial. In some embodiments, the change of polarization state relates to the orientation of the linear polarization direction or "polarization" ellipse with respect to the nanostructure of the metamaterial. Thus, the polarization state setting element for providing a first polarization state and / or a second polarization state allows an orientation of, for example, a linear polarization in space, i. to set an orientation of the E-field vector relative to the metamaterial, in particular to its elementary structures. In some embodiments, the change of a polarization state relates to a change from one polarization to another polarization, for example a change between radial and azimuthal polarization. Moreover, polarization state superpositions can be used to set a ratio between the frequency-converted machining beam and the laser machining beam.

Beispielhafte dünne Leiter-Nichtleiter-Verbundmaterialien werden in „Giant nonlinear response from plasmonic metasurfaces coupled to intersubband transitions“, J. Lee et al., 3 Juli 2014, Vol. 511, S. 65–69, NATURE diskutiert, wobei diese insbesondere eine hohe nichtlineare Antwort bereitstellen können. Weitere bespielhafte Metamaterialstrukturen mit erhöhter Nichtlinearität sind in US 2013/0155492 A1 und US 7,515,330 B2 offenbart. Untersuchungen zur optischen Erzeugung von Harmonischen sind in „Experiments on second- and third-harmonic generation from magnetic metamaterials“, M.W. Klein et al., 16 April 2007, Vol. 15, No. 8, S. 5238–5247, OPTICS EXPRESS beschrieben. Eine Zusammenfassung mit Ausblick hinsichtlich Metamaterialien wird in „METAMATERIAL WORLD“, L. Billings, 8 August 2013, Vol. 500, S. 138–140 gegeben.Exemplary thin conductor-nonconductive composite materials are disclosed in US Pat "Giant nonlinear response from plasmonic metasurfaces coupled to intersubband transitions", J. Lee et al., July 3, 2014, Vol. 511, pp. 65-69, NATURE in particular, these can provide a high non-linear response. Further exemplary metamaterial structures with increased nonlinearity are in US 2013/0155492 A1 and US 7,515,330 B2 disclosed. Studies on the optical generation of harmonics are in "Experiments on Second and Third-harmonic Generation of Magnetic Metamaterials", MW Klein et al., April 16, 2007, Vol. 8, p. 5238-5247, OPTICS EXPRESS described. A summary with a view to metamaterials will be presented in "METAMATERIAL WORLD", L. Billings, 8 August 2013, Vol. 500, pp. 138-140 given.

Die hierein beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere das Schneiden von Werkstücken, wobei die Laserwellenlänge zwischen einer Grundwellenlänge des einfallenden Laserstrahls und einer harmonischen Wellenlänge derselben schaltbar ist und für die Frequenzkonversion ein resonatorextern (d.h. außerhalb einer primären Laserstrahlquelle) angeordnetes, eine spezielle Metamaterialstruktur ausbildendes Metamaterial verwendet wird.More particularly, the concepts described herein relate to the cutting of workpieces, the laser wavelength being switchable between a fundamental wavelength of the incident laser beam and a harmonic wavelength thereof, and using a meta material forming a resonator-external (i.e., outside a primary laser beam source) for frequency conversion.

Die hierein beschriebenen Konzepte erlauben es ferner, die Laserwellenlänge auf das gewünschte Schneidergebnis anzupassen, insbesondere über das Schalten der Laserwellenlänge auf einer Werkzeugmaschine mit Metamaterialien durch die Polarisationsabhängigkeit der Frequenzkonversion.The concepts described herein further allow the laser wavelength to be adjusted to the desired cutting result, particularly by switching the laser wavelength on a machine tool with metamaterials through the polarization dependence of the frequency conversion.

Allgemein werden hierin Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:Generally, concepts are disclosed herein that allow to at least partially enhance aspects of the prior art. In particular, further features and their expediencies emerge from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:

1 eine schematische räumliche Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage beispielsweise zum Schneiden eines Werkstücks, 1 a schematic spatial representation of a laser processing system, for example, for cutting a workpiece,

2 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines auf einem oder mehreren Lichtleitkabel(n) basierenden Strahlführungssystems für eine Laserbearbeitungsmaschine, 2 FIG. 2 is a schematic view of an exemplary embodiment of a beam guidance system for a laser processing machine based on one or more light guide cables; FIG.

3A eine schematische Darstellung einer Elementarstruktur einer Metamaterialstruktur, 3A a schematic representation of an elementary structure of a metamaterial structure,

3B eine schematische Darstellung einer Metamaterialstruktur für insbesondere lineare Polarisation, 3B a schematic representation of a metamaterial structure for in particular linear polarization,

3C eine schematische Darstellung einer Metamaterialstruktur für insbesondere radiale/azimutale Polarisation, 3C a schematic representation of a metamaterial structure for in particular radial / azimuthal polarization,

4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konversionseinheit eines Strahlführungssystems basierend auf reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen, 4 a schematic representation of an exemplary conversion unit of a beam guidance system based on reflective frequency-converting elements,

5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konversionseinheit eines Strahlführungssystems basierend auf transmittierenden frequenzkonvertierenden Elementen, 5 FIG. 2 a schematic illustration of an exemplary conversion unit of a beam guidance system based on transmitting frequency-converting elements, FIG.

6 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform Konversionseinheit mit reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen, 6 a schematic representation of another exemplary embodiment conversion unit with reflective frequency-converting elements,

7 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform Konversionseinheit mit reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen, und 7 a schematic representation of another exemplary embodiment conversion unit with reflective frequency-converting elements, and

8 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konversionseinheit mit einem Fokussierelement zwischen zwei reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen. 8th a schematic representation of an exemplary conversion unit with a focusing element between two reflective frequency-converting elements.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass optische Elemente einer Werkzeugmaschine derart ausgebildet und angeordnet werden können, dass ein Schalten der Wellenlänge beim Laserschneiden vorgenommen werden kann. Es wurde ferner erkannt, dass somit die Wellenlänge optimal (bzw. möglichst gut) auf die Anforderungen des jeweiligen Schneidmodus abgestimmt werden kann. Z.B. wurde erkannt, dass kurze Wellenlängen für einen hoher Vorschub bei dünnen Werkstücken und lange Wellenlängen für eine hohe Qualität bei dicken Werkstücken vorteilhaft eingesetzt werden können.Aspects described herein are based, in part, on the finding that optical elements of a machine tool can be designed and arranged such that switching of the wavelength during laser cutting can be performed. It was further recognized that thus the wavelength can be optimally (or as well) matched to the requirements of the respective cutting mode. For example, It has been recognized that short wavelengths for high feed on thin workpieces and long wavelengths can be advantageously used for high quality on thick workpieces.

Zur Umsetzung der hierin beschriebenen Konzepte kann z.B. ein linear polarisierter primärer Laserstrahl verwendet werden. Der E-Feldvektor des Laserstrahls kann durch Drehung einer λ/2-Platte im Raum senkrecht zur Propagationsrichtung bezüglich einer strahlabwärtsangeordneten Frequenzkonversionseinheit gedreht werden. Die Frequenzkonversionseinheit sieht im Strahlengang ein Metamaterial vor, das in Transmission und/oder in Reflexion betrieben werden kann. Das Verhalten eines Metamaterials ist zur Verdeutlichung der Funktionsweise vergleichbar mit dem einer Antenne. Der Laserstrahl fällt auf das Metamaterial, und je nach Orientierung des E-Feldvektors zur Elementarstruktur des Metamaterials strahlt das Metamaterial beispielsweise in der halben Wellenlänge (d.h. second harmonic generation SHG) ab. Um ein Schalten der Frequenzkonversion zu ermöglichen, benötigt das Metamaterial einen Symmetriebruch, z.B. in Form eines Split-Rings. Wird die λ/2-Platte gedreht, kann somit die Wellenlänge im Strahl strahlabwärts der Frequenzkonversionseinheit zwischen der Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls und der Wellenlänge des frequenzkonvertierten Strahls (oder einer Überlagerung der beiden) geschaltet werden.To implement the concepts described herein, e.g. a linearly polarized primary laser beam can be used. The E-field vector of the laser beam can be rotated by rotating a λ / 2 plate in space perpendicular to the propagation direction with respect to a downstream frequency conversion unit. The frequency conversion unit provides in the beam path a metamaterial that can be operated in transmission and / or in reflection. The behavior of a metamaterial is similar to that of an antenna to illustrate its operation. The laser beam is incident on the metamaterial, and depending on the orientation of the E-field vector to the elemental structure of the metamaterial, the metamaterial radiates, for example, in half wavelength (i.e., second harmonic generation SHG). To enable frequency conversion switching, the metamaterial requires a break in the symmetry, e.g. in the form of a split ring. Thus, when the λ / 2 plate is rotated, the wavelength in the beam downstream of the frequency conversion unit can be switched between the wavelength of the incident laser beam and the wavelength of the frequency-converted beam (or a superposition of the two).

Im Folgenden wird zuerst ein Beispiel eine Laserbearbeitungsanlage allgemein beschrieben, in der ein Einsatz von neuartigen optischen Elementen, den sogenannten Metamaterialien, beispielsweise in Kombination mit einer drehbaren λ/2-Platte ein Schalten zwischen verschiedenen Wellenlängen bei der Werkstückbearbeitung erlaubt. Im Anschluss werden Umsetzungsbeispiele der Frequenzkonversionseinheit für reflektierende und transmittierende frequenzkonvertierende Elemente erläutert. In the following, an example of a laser processing system will be described in general, in which a use of novel optical elements, the so-called metamaterials, for example, in combination with a rotatable λ / 2 plate allows switching between different wavelengths in the workpiece machining. In the following, implementation examples of the frequency conversion unit for reflecting and transmitting frequency-converting elements will be explained.

1 zeigt eine Laserbearbeitungsanlage 1 beispielhaft in Form einer Laserschneidmaschine. Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ein Lasersystem auf, das eine Strahlquelle 2 zur Erzeugung eines primären Laserstrahls und ein Strahlführungssystem 3 aufweist. Das Strahlführungssystem 3 umfasst einen Laserstrahlführungsabschnitt 3a und einen Konversionsabschnitt 3b, der eine Frequenzkonversionseinheit und Laserbearbeitungsoptik (nicht explizit in 1 gezeigt) beispielsweise in einem Bearbeitungskopf 4 bereitstellt. 1 shows a laser processing system 1 by way of example in the form of a laser cutting machine. The laser processing system 1 has a laser system that is a beam source 2 for generating a primary laser beam and a beam guiding system 3 having. The beam guiding system 3 includes a laser beam guiding section 3a and a conversion section 3b comprising a frequency conversion unit and laser processing optics (not explicitly disclosed in US Pat 1 shown), for example, in a machining head 4 provides.

Zum Anpassen des Strahlengangs an unterschiedliche Positionen des Bearbeitungskopfs 4 umfasst der Laserstrahlführungsabschnitt 3a z.B. eine mit Faltenbälgen umgebene Freistrahlführung mit optischen Elementen wie z.B. Umlenkspiegeln oder – beispielsweise bei Einsatz eines Festkörperlasers als Strahlquelle 2 – ein oder mehrere Lichtleitkabel. Ein auf Lichtleitkabeln beruhendes Lasersystem 18 ist beispielhaft in 2 gezeigt. Das Lasersystem 18 weist eine auf einem oder mehreren Festkörperlasern 16 basierende Strahlquelle 2 auf. Primäre Laserstrahlung der Festkörperlaser 16 wird über Lichtleitkabel 20 zum Bearbeitungskopf 4 geführt. Ferner sind in 2 schematisch das Strahlführungssystem 3 mit dem Strahlführungsabschnitt 3a und dem Konversionsabschnitt 3b angedeutet. Der Konversionsabschnitt 3b umfasst unter anderem eine schematisch als Linse verdeutlichte Laserbearbeitungsoptik sowie eine Frequenzkonversionseinheit 30.For adjusting the beam path to different positions of the machining head 4 includes the laser beam guide section 3a For example, surrounded with bellows free-jet guide with optical elements such as deflecting mirrors or - for example, when using a solid-state laser as a beam source 2 - One or more fiber optic cables. A fiber optic based laser system 18 is exemplary in 2 shown. The laser system 18 has one on one or more solid state lasers 16 based beam source 2 on. Primary laser radiation of the solid-state laser 16 is via fiber optic cable 20 to the machining head 4 guided. Furthermore, in 2 schematically the beam guidance system 3 with the beam guide section 3a and the conversion section 3b indicated. The conversion section 3b includes, inter alia, a schematically illustrated as a lens laser processing optics and a frequency conversion unit 30 ,

In obigen beispielhaften Ausführungsformen kann somit der erste Strahlführungsabschnitt 3a auf eine Wellenlänge, und zwar die Wellenlänge des primären Lasterstrahls, angepasst werden. Dagegen sind die optischen Komponenten im Konversionsabschnitt 3b zumindest teilweise sowohl an die Wellenlänge des primären Laserstrahls als auch an andere aufgrund der Frequenzkonversion erzeugte Wellenlängen anzupassen. Im Gegensatz zu den eingangs genannten Konzepten, bei denen resonatorintern Licht mit mehreren Wellenlängen für die Materialbearbeitung erzeugt wird, sind somit die Maßnahmen hinsichtlich der Anpassung des optischen Systems an mehrere Wellenlängen vereinfacht (z.B. unkomplizierte Propagation bei einer Wellenlänge von 10 μm in Atmosphäre im Strahlführungsabschnitt, d.h. im Wesentlichen ohne Absorption; Vermeidung/Reduzierung von thermischem „Blooming“ durch eine kompakte Konfiguration des Konversionsabschnitts für eine Propagation bei einer Wellenlänge um 5 μm, d.h. geringerer Verlust von Strahlqualität und Leistung durch die Nähe der Frequenzkonversion zum Werkstück). In einigen Ausführungsformen können als Lichtleitkabel 20 beispielsweise konventionelle Stufenindexfaser, PCF-Fasern, hollow-core-Fasern oder Kagome-Fiber verwendet werden. Insbesondere können die Festkörperlaser 16 und Lichtleitkabel 20 durch linear polarisierte single-mode-Faserlaser ersetzt werden.In the above exemplary embodiments, therefore, the first beam guiding section 3a be adapted to a wavelength, namely the wavelength of the primary beam load. In contrast, the optical components in the conversion section 3b at least partially generated both to the wavelength of the primary laser beam and to others due to the frequency conversion Adjust wavelengths. In contrast to the concepts mentioned above, in which resonator-internal light with several wavelengths is generated for material processing, the measures with regard to the adaptation of the optical system to several wavelengths are thus simplified (eg uncomplicated propagation at a wavelength of 10 μm in the beam-guiding section, ie essentially without absorption; avoidance / reduction of thermal "blooming" by a compact configuration of the conversion section for propagation at a wavelength around 5 μm, ie less loss of beam quality and power due to the proximity of the frequency conversion to the workpiece). In some embodiments, as optical fiber cables 20 For example, conventional step index fiber, PCF fiber, hollow core fiber or Kagome fiber can be used. In particular, the solid state lasers 16 and fiber optic cable 20 be replaced by linearly polarized single-mode fiber laser.

Wie beispielhaft in 1 gezeigt ist, weist die Laserbearbeitungsanlage 1 ferner eine Werkstücklagerungseinheit 5 mit einer Werkstückauflage 5a zum Lagern eines zu bearbeitenden Werkstücks 8 auf. Werkstück 8 ist beispielsweise ein Blech. In 1 definiert die Werkstückauflage 5a eine Bearbeitungsebene (beispielhaft die XY-Ebene des in 1 eingezeichneten Koordinatensystems). Allgemein ist der Bearbeitungskopf 4 parallel zur Bearbeitungsebene mit einer üblicherweise einstellbaren Vorschubgeschwindigkeit verfahrbar.As exemplified in 1 shown points the laser processing system 1 Further, a workpiece storage unit 5 with a workpiece support 5a for storing a workpiece to be machined 8th on. workpiece 8th is for example a sheet metal. In 1 defines the workpiece support 5a a working plane (for example, the XY plane of the in 1 drawn coordinate system). General is the machining head 4 can be moved parallel to the working plane with a feed rate that is usually adjustable.

Ohne Vornahme einer Frequenzkonversion kann der primäre Laserstrahl mittels einer im Bearbeitungskopf 4 angeordneten Laserbearbeitungsoptik kollimiert und auf die Werkstückoberfläche 8a des Werkstücks 8 fokussiert werden. Die Strahlachse (optische Achse) eines aus dem Laserbearbeitungskopf 4 austretenden Laserbearbeitungsstrahls 6 verläuft in 1 in Z-Richtung beispielhaft senkrecht zum Werkstück 8.Without making a frequency conversion of the primary laser beam can by means of a processing head 4 arranged laser processing optics collimated and on the workpiece surface 8a of the workpiece 8th be focused. The beam axis (optical axis) of one of the laser processing head 4 emerging laser processing beam 6 runs in 1 in the Z direction as an example perpendicular to the workpiece 8th ,

Zur Differenzierung vom auf der Frequenzkonvertierung basierenden Bearbeitungsstrahl wird hierin der nicht durch ein Metamaterial frequenzkonvertierte, direkt auf die Strahlquelle zurückgehende Strahl als Laserbearbeitungsstrahl 6 bezeichnet. Beispielsweise beim Laserschneiden wird mit dem Laserbearbeitungsstrahl 6 zunächst in das Werkstück 8 eingestochen, d.h. das Werkstück 8 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen (Schmelzschnitt) oder aufgeschmolzen und oxidiert (Brennschnitt) und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend werden der Laserbearbeitungsstrahl 6 und das Werkstück 8 relativ zueinander bewegt, sodass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn einen durchgängigen Schnittspalt 9 bewirkt, entlang dessen der Laserbearbeitungsstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt hat. Die Laserbearbeitung kann z.B. analog mit dem frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl erfolgen.In order to differentiate the processing beam based on the frequency conversion, the beam, which is not frequency-converted by a metamaterial, is used as a laser processing beam and goes directly back to the beam source 6 designated. For example, laser cutting is done with the laser processing beam 6 first into the workpiece 8th pierced, ie the workpiece 8th is molten point (melting cut) or melted and oxidized (flame cut) at a point and the resulting melt is blown out. The following is the laser processing beam 6 and the workpiece 8th moved relative to each other, so that a two-dimensional processing path a continuous kerf 9 along which the laser processing beam 6 the workpiece 8th has severed. The laser processing can be done, for example, analog with the frequency-converted processing beam.

Sowohl für die die Bearbeitung unterstützenden Gase als auch für die Spülgase des Lasersystems weist die Laserbearbeitungsanlage 1 ein Trockengassystem 10 auf, in dem getrocknete Gase 10a bereitgestellt werden. Beispielsweise erfolgt üblicherweise das Einstechen unter Gaszufuhr. Auch das Laserschneiden kann durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien mit welcher Wellenlänge bearbeitet und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück 8 gestellt werden. Entstehende Partikel können mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 11 abgesaugt werden, welche mit einer Absaugkammer verbunden ist, die sich z.B. unter der Werkstückauflage 5a befindet.Both for the processing assisting gases and for the purge gases of the laser system, the laser processing system 1 a dry gas system 10 in which dried gases 10a to be provided. For example, usually piercing occurs under gas supply. Laser cutting can also be supported by adding a gas. As cutting gases oxygen, nitrogen, compressed air and / or application-specific gases can be used. Which gas is ultimately used depends on which materials are processed at which wavelength and which quality demands on the workpiece 8th be put. Particles created can be removed by means of a suction device 11 be sucked off, which is connected to a suction chamber, for example, under the workpiece support 5a located.

Auch der Laserstrahlführungsabschnitt 3a kann mit einem Gassystem (nicht explizit gezeigt) zum Bereitstellen eines spezifisch gespülten Strahlengangs verbunden sein. Ferner kann der Konversionsabschnitt 3b, insbesondere die Laserbearbeitungsoptik und die Konversionseinheit im Bearbeitungskopf 4, mit einem Gas, üblicherweise Stickstoff, gespült oder geflutet werden.Also the laser beam guiding section 3a may be associated with a gas system (not explicitly shown) for providing a specifically purged beam path. Furthermore, the conversion section 3b , in particular the laser processing optics and the conversion unit in the processing head 4 , with a gas, usually nitrogen, rinsed or flooded.

1 zeigt ferner Antriebseinheiten 7a, 7b, die es erlauben, eine Relativbewegung des Bearbeitungskopfs 4 bezüglich des Werkstücks 8 in der Bearbeitungsebene durchzuführen. Z.B. kann der Laserbearbeitungskopf 4 an einem sich in Y-Richtung erstreckenden Portal 12 mittels der Antriebseinheit 7b linear verschoben werden, wobei das Portal 12 selbst mittels der Antriebseinheit 7a, z.B. einem Linearantrieb, in X-Richtung verschiebbar ist. Der Bearbeitungskopf 4 ist im Beispiel der 1 zusätzlich mit der Antriebseinheit 7c für eine vertikale Verschiebung in Z-Richtung, d.h. senkrecht zum Werkstück 8, verschiebbar. Somit kann eine Fokusposition des Laserbearbeitungsstrahls 6 entlang der Dicke des Werkstücks 8 eingestellt werden. 1 further shows drive units 7a . 7b that allow a relative movement of the machining head 4 with respect to the workpiece 8th in the processing level. For example, the laser processing head 4 in a portal extending in the Y-direction 12 by means of the drive unit 7b be moved linearly, the portal 12 even by means of the drive unit 7a , For example, a linear actuator, is displaceable in the X direction. The machining head 4 is in the example of 1 additionally with the drive unit 7c for a vertical displacement in the Z-direction, ie perpendicular to the workpiece 8th , movable. Thus, a focus position of the laser processing beam 6 along the thickness of the workpiece 8th be set.

Eine Steuerungseinheit 14 kontrolliert die Laserbearbeitungsanlage 1 und insbesondere den Strahlerzeuger 2, die Antriebseinheiten 7a, 7b, 7c sowie optische Elemente zur Steuerung der in Zusammenhang mit den 3 bis 8 näher beschriebenen Frequenzkonversionseinheit.A control unit 14 controls the laser processing system 1 and in particular the jet generator 2 , the drive units 7a . 7b . 7c as well as optical elements for controlling the in connection with the 3 to 8th closer described frequency conversion unit.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform der Laserbearbeitungsanlage 1 kann die Strahlquelle 2 beispielsweise ein CO2-Gaslaser sein. Üblicherweise ist der erzeugte Laserstrahl dann linear polarisiert, kann aber durch ein doppelbrechendes Element für die Laserbearbeitung zirkular polarisiert werden. Bei der Verwendung von Metamaterialstrukturen, deren Frequenzkonversionseigenschaften auf lineare Polarisation ausgerichtet sind, kann ein derartiges doppelbrechendes Element vor der Frequenzkonversionseinheit wegfallen, da die lineare Polarisation des aus dem CO2-Gaslaser austretenden primären Laserstrahls genutzt und insbesondere durch ein Polarisationszustand-einstellendes Element ausgerichtet wird. So kann bei einer richtigen Orientierung des E-Feldvektors des primären Laserstrahls zu den Elementarstrukturen des Metamaterials die Laserwellenlänge von z.B. 10,5 μm nach 5,3 μm konvertiert werden.In the in 1 shown embodiment of the laser processing system 1 can the beam source 2 for example, be a CO2 gas laser. Usually, the laser beam generated is then linearly polarized, but can be circularly polarized by a birefringent element for laser processing become. When using metamaterial structures whose frequency conversion properties are oriented to linear polarization, such a birefringent element in front of the frequency conversion unit can be omitted since the linear polarization of the primary laser beam emerging from the CO2 gas laser is utilized and in particular aligned by a polarization state-adjusting element. Thus, with a correct orientation of the E-field vector of the primary laser beam to the elemental structures of the metamaterial, the laser wavelength can be converted from, for example, 10.5 μm to 5.3 μm.

In 3A ist als Beispiel einer Elementarstruktur 22 einer Metamaterialstruktur schematisch ein Split-Ring-Resonator gezeigt, der von leitendem, beispielsweise metallischem, Material in einem nichtleitenden Material ausgebildet wird (siehe bzgl. Elementarstrukturen auch die eingangs erwähnten Veröffentlichungen). Für eine Frequenzkonversion sind die Ausmaße (eine Länge a ist beispielhaft in 3A angegeben) einer Elementarstruktur des Metamaterials üblicherweise kleiner als die Wellenlänge λp des primären Laserstrahls. Man erkennt die nicht-rotationssymmetrische Grundform, die ein Schalten der Frequenzkonversion durch Drehung der Orientierung beispielsweise einer linearen Polarisationsrichtung im Raum, d.h. der Orientierung des E-Feldvektors relativ zum Metamaterial, ermöglicht.In 3A is an example of an elementary structure 22 a meta-material structure is schematically shown a split-ring resonator, which is formed of conductive, for example metallic, material in a non-conductive material (see with respect to elemental structures and the publications mentioned above). For a frequency conversion the dimensions are (a length a is exemplary in 3A indicated) of an elementary structure of the metamaterial usually smaller than the wavelength λp of the primary laser beam. One recognizes the non-rotationally symmetric basic form, which enables a switching of the frequency conversion by rotation of the orientation, for example a linear polarization direction in space, ie the orientation of the E field vector relative to the metamaterial.

3B zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Metamaterialstruktur 42 mit einer beispielhaften Anordnung von Elementarstrukturen 22. Die Anordnung kann beispielsweise mit einer mit einer λ/2-Platte ausrichtbaren linearen Polarisation eines Laserstrahls verwendet werden. Beispielhaft sind zwei E-Feldvektor 36A, 36B in orthogonalen Ausrichtungen in 3B gezeigt. Der einfallende Laserstrahl ist in diesem Beispiel einheitlich polarisiert, d.h. die Ausrichtung des E-Feldvektors 36A, 36B ändert sich im Wesentlichen nicht über den Strahlquerschnitt des Laserstrahls hinweg. Je nach der schaltbaren Orientierung des E-Feldvektors 36A, 36B bezüglich den einzelnen Elementarstrukturen 22 wird eine Frequenzkonversion hervorgerufen oder nicht. 3B shows a schematic plan view of a metamaterial structure 42 with an exemplary arrangement of elemental structures 22 , The arrangement can be used, for example, with a λ / 2 plate alignable linear polarization of a laser beam. Exemplary are two E-field vectors 36A . 36B in orthogonal orientations in 3B shown. The incident laser beam is uniformly polarized in this example, ie the orientation of the E field vector 36A . 36B essentially does not change across the beam cross section of the laser beam. Depending on the switchable orientation of the E-field vector 36A . 36B regarding the individual elementary structures 22 a frequency conversion is caused or not.

3C zeigt eine schematische Aufsicht auf eine weitere Metamaterialstruktur 42' mit einer beispielhaften Anordnung von Elementarstrukturen 22, die in diesem Beispiel zur Verwendung mit radialer/azimutaler Polarisation vorgesehen ist. Radiale und/oder azimutale Polarisationen stellen eine Superposition der linearen Polarisation dar, wobei sich „lokal“ über den Strahlquerschnitt hinweg die Orientierung des E-Feldvektors ändert. In einem Fall liegt eine Orientierung des E-Feldvektors in radialer Richtung und im anderen Fall in azimutaler Richtung vor. In 3C sind zur Verdeutlichung einer radialen Polarisation radial nach außen gerichtete E-Feldvektoren 36A' angedeutet. 3C shows a schematic plan view of another metamaterial structure 42 ' with an exemplary arrangement of elemental structures 22 , which in this example is intended for use with radial / azimuthal polarization. Radial and / or azimuthal polarizations represent a superposition of the linear polarization, whereby the orientation of the E field vector changes "locally" across the beam cross section. In one case, there is an orientation of the E-field vector in the radial direction and in the other case in the azimuthal direction. In 3C are radially outwardly directed E-field vectors to illustrate a radial polarization 36A ' indicated.

Für derartige Strahlen können Metamaterialien eingesetzt werden, bei denen die Ausrichtung der Elementarstrukturen 22 „lokal“ über den Strahlquerschnitt hinweg an die Variation der z.B. radialen Orientierung des E-Feldvektors angepasst ist. In der Ausführungsform gemäß 3C sind die Elementarstrukturen 22 – im Wesentlichen rotationssymmetrisch – in einem Kreisring angeordnet. Beispielsweise erkennt man innerhalb von Segmenten des Kreisrings gleichmäßig ausgerichtete Elementarstrukturen 22. Zur Verdeutlichung der Polarisation ist jeweils der E-Feldvektor 36A' für ein zugehöriges Segmenten gezeigt. Aufgrund der geringen Größe der Elementarstrukturen 22 wird eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Anordnung, beispielsweise mit einer großen Anzahl von Segmenten, möglich. For such beams, metamaterials can be used in which the orientation of the elementary structures 22 "Locally" across the beam cross-section is adapted to the variation of the eg radial orientation of the E-field vector. In the embodiment according to 3C are the elementary structures 22 - Essentially rotationally symmetric - arranged in a circular ring. For example, uniformly aligned elementary structures can be recognized within segments of the annulus 22 , To clarify the polarization, the E field vector is in each case 36A ' shown for a related segments. Due to the small size of the elementary structures 22 a substantially rotationally symmetrical arrangement, for example, with a large number of segments, is possible.

Die Anordnung von Elementarstrukturen 22 gemäß 3C verdeutlicht die gezielte Schaltbarkeit der Wechselwirkung des Laserstrahls mit den Elementarstrukturen 22 durch einen Wechsel von radialer zu azimutaler Polarisation, wodurch eine Frequenzkonversion hervorgerufen oder vermieden werden kann.The arrangement of elementary structures 22 according to 3C illustrates the specific switchability of the interaction of the laser beam with the elementary structures 22 by a change from radial to azimuthal polarization, whereby a frequency conversion can be caused or avoided.

Die 4 und 5 verdeutlichen beispielhaft Frequenzkonversionseinheiten 30A, 30B, die Metamaterialstrukturen in Reflektion (4) und Transmission (5) verwenden. Allgemein können auch Kombinationen von reflektiven und transmittiven Metamaterialstrukturen eingesetzt werden. The 4 and 5 exemplify frequency conversion units 30A . 30B , the metamaterial structures in reflection ( 4 ) and transmission ( 5 ) use. In general, combinations of reflective and transmissive metamaterial structures can also be used.

In den in den 4 und 5 dargestellten schematischen Strahlführungssystemen sind die Frequenzkonversionseinheiten 30A, 30B jeweils strahlabwärts eines schematisch angedeuteten Strahleingangs 3', der einen primären Laserstrahl 34 der Laserstrahlquelle 2 aufnimmt, angeordnet. In the in the 4 and 5 illustrated schematic beam guidance systems are the frequency conversion units 30A . 30B downstream of a schematically indicated beam input 3 ' , which is a primary laser beam 34 the laser beam source 2 receives, arranged.

In der Ausführungsform gemäß 4 umfasst die Frequenzkonversionseinheit 30A zwei frequenzkonvertierende Elemente 32A, 32B, die zur Frequenzkonvertierung des einfallenden primären Laserstrahls 34 der Laserstrahlquelle 2 ausgebildet sind, wobei die Frequenzkonversion abhängig vom Polarisationszustand des einfallenden primären Laserstrahls 34 ist. Beispielhaft ist in 4 der primäre Laserstrahl 34 linear polarisiert. Ein Pfeil verdeutlicht als ein erster Polarisationszustand eine Polarisationsrichtung 36A in der Zeichenebene. Mit Hilfe eines beispielsweise strahlabwärts des Strahleingangs 3' angeordneten Polarisationszustandeinstellenden Elements 38 kann eine um 90° gedrehte Polarisationsrichtung 36B, das heißt eine Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichenebene (zweiter Polarisationszustand), wahlweise eingestellt werden. Beispielsweise ist das Polarisationszustand-einstellende Element 38 eine um die Strahlachse drehbare λ/2-Platte. Am Ausgang der Frequenzkonversionseinheit 30A liegt entsprechend in Abhängigkeit vom eingestellten Polarisationszustand 36A, 36B entweder der primäre Laserbearbeitungsstrahl 6 oder der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl 44 vor.In the embodiment according to 4 includes the frequency conversion unit 30A two frequency-converting elements 32A . 32B used for frequency conversion of the incident primary laser beam 34 the laser beam source 2 are formed, wherein the frequency conversion depending on the polarization state of the incident primary laser beam 34 is. Exemplary is in 4 the primary laser beam 34 linearly polarized. An arrow illustrates a polarization direction as a first polarization state 36A in the drawing plane. With the help of, for example, downstream of the beam entrance 3 ' arranged polarization state adjusting element 38 can be a 90 ° rotated polarization direction 36B , that is, a polarization direction perpendicular to the plane of the drawing (second polarization state), can be optionally set. For example, the polarization state adjusting element 38 a λ / 2 plate rotatable about the beam axis. At the output of the frequency conversion unit 30A is correspondingly dependent on the set polarization state 36A . 36B either the primary laser processing beam 6 or the frequency-converted machining beam 44 in front.

In Ausführungsformen, bei denen z.B. eine Überlagerung von Strahlanteilen des primären Laserstrahls 34 und des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls 44 eingesetzt werden soll, kann ferner beispielsweise eine nicht vollständige Drehung der λ/2-Platte um 90° vorgenommen werden oder eine, insbesondere um die Strahlachse drehbar gelagerte oder in den Strahlengang strahlaufwärts der Frequenzkonversionseinheit einbringbare, beispielsweise λ/4-Verzögerungsplatte als Polarisationszustand-einstellendes Element 38 vorgesehen werden.In embodiments in which, for example, a superposition of beam portions of the primary laser beam 34 and the frequency-converted machining beam 44 can be used, for example, a non-complete rotation of the λ / 2 plate can be made by 90 ° or one, in particular about the beam axis rotatably mounted or in the beam path upstream of the frequency conversion unit einbringbare, for example, λ / 4 retardation plate as polarization state-adjusting element 38 be provided.

Die frequenzkonvertierenden Elemente 32A, 32B weisen ein Spiegelsubstrat 40 auf, wobei die Oberfläche des Spiegelsubstrats durch ein frequenzkonvertierendes, eine Metamaterialstruktur 42 bildendes Metamaterial geformt wird. Die Metamaterialstruktur 42 weist Elementarstrukturen 22' auf. Das Spiegelsubstrat 40 ist im Wellenlängenbereich des Laserstrahls 34 reflektierend ausgebildet.The frequency-converting elements 32A . 32B have a mirror substrate 40 on, wherein the surface of the mirror substrate by a frequency-converting, a metamaterial structure 42 forming metamaterial. The metamaterial structure 42 has elemental structures 22 ' on. The mirror substrate 40 is in the wavelength range of the laser beam 34 reflective trained.

Aufgrund der Wechselwirkung des Laserstrahls 34 mit den Elementarstrukturen 22 der Metamaterialstruktur 42 am frequenzkonvertierenden Element 32A wird ein frequenzkonvertierter Bearbeitungsstrahl 44 (in den 5 und 6 gestrichelt dargestellt) in Richtung des reflektierten Laserstrahls 34 emittiert und trifft zusammen mit diesem auf das frequenzkonvertierende Element 32B. Dort wird der Anteil des frequenzkonvertierten Lichts weiter erhöht, so dass sich der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl 44 verstärkt. Die Frequenzkonversionseinheit 30A weist ferner ein Fokussierelement 46 auf, das dazu ausgebildet ist, sowohl den primären Laserstrahl 34 als auch den frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl 44 auf das Werkstück 8 zu fokussieren. Das Fokussierelement 46 ist entsprechend auf die Strahlformung in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Laserstrahls 34 als auch des Bearbeitungsstrahls 44 optimiert. Due to the interaction of the laser beam 34 with the elemental structures 22 the metamaterial structure 42 at the frequency converting element 32A becomes a frequency-converted processing beam 44 (in the 5 and 6 dashed lines) in the direction of the reflected laser beam 34 emits and hits with this on the frequency-converting element 32B , There, the proportion of the frequency-converted light is further increased, so that the frequency-converted processing beam 44 strengthened. The frequency conversion unit 30A also has a focusing element 46 which is adapted to both the primary laser beam 34 as well as the frequency-converted processing beam 44 on the workpiece 8th to focus. The focusing element 46 is corresponding to the beam shaping in the different wavelength ranges of the laser beam 34 as well as the machining beam 44 optimized.

Die Frequenzkonversionseinheit 30B der 5 unterscheidet sich in der Verwendung der frequenzkonvertierenden Elemente 48 in Transmission von der Ausführungsform gemäß 4. Entsprechend sind die Metamaterialstrukturen 42 auf transmittierenden optischen Elementen 49 angeordnet oder in diese integriert. Ferner sind entsprechend die Elementarstrukturen 22'' der Transmissionselemente 48 auf eine Erzeugung von frequenzkonvertiertem Licht in Vorwärtsrichtung optimiert. Am Ausgang der Frequenzkonversionseinheit 30B liegt entsprechend in Abhängigkeit vom eingestellten Polarisationszustand 36A, 36B entweder der primäre Laserbearbeitungsstrahl 6 oder der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl 44 vor.The frequency conversion unit 30B of the 5 differs in the use of the frequency-converting elements 48 in transmission of the embodiment according to 4 , The metamaterial structures are corresponding 42 on transmitting optical elements 49 arranged or integrated into this. Furthermore, the elementary structures are correspondingly 22 '' the transmission elements 48 optimized for generation of frequency-converted light in the forward direction. At the output of the frequency conversion unit 30B is correspondingly dependent on the set polarization state 36A . 36B either the primary laser processing beam 6 or the frequency-converted machining beam 44 in front.

In 5 sind analog zu 4 die Möglichkeit der Polarisationsdrehung mit Hilfe eines Polarisationszustand-einstellenden Elements 38 und durch Pfeile dargestellte lineare Polarisationsrichtungen 36A, 36B angedeutet.In 5 are analogous to 4 the possibility of polarization rotation by means of a polarization state-adjusting element 38 and linear polarization directions represented by arrows 36A . 36B indicated.

In den 6 und 7 sind beispielhafte Aufbauten für reflektierende frequenzkonvertierende Elemente dargestellt. Insbesondere frequenzkonvertierende Elemente, die sowohl der Wellenlänge des primären Laserstrahls 34 als auch der Wellenlänge der frequenzkonvertierten Strahlung 44 ausgesetzt sind, können in ihrem Aufbau entsprechend angepasst werden, so dass Konfigurationen entstehen, die eine effiziente Ausbildung des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls 44 sowie eine möglichst verlustfreie Führung des primären Laserstrahls 34 ermöglichen.In the 6 and 7 exemplary structures for reflecting frequency-converting elements are shown. In particular, frequency-converting elements that are both the wavelength of the primary laser beam 34 as well as the wavelength of the frequency-converted radiation 44 can be adapted in their design accordingly, so that configurations arise that allow efficient formation of the frequency-converted machining beam 44 as well as lossless guidance of the primary laser beam 34 enable.

In 6 ist gezeigt, wie beispielhaft ein 10 μm Primärlaserstrahl 34' auf eine Anordnung von Elementarstrukturen 22 auf einem Spiegelsubstrat 40 trifft. Die vom frequenzkonvertierenden Element 32A ausgehende Strahlung umfasst somit bei entsprechender Polarisation frequenzkonvertiertes Licht 44A (gestrichelte Linie) und den verbleibenden Teil des reflektierten Primärlaserstrahls 34' (durchgezogene Linie). Das nachfolgende frequenzkonvertierende Element 32C umfasst eine im Wellenlängenbereich des Laserstrahls 34 transmittierende und im Wellenlängenbereich des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls reflektierende Oberflächenschicht 50. Rückseitig der Oberflächenschicht 50 befindet sich das frequenzkonvertierende und die Metamaterialstruktur 42 bildende Metamaterial in einem Substrat 52. Das Metamaterial führt für den verbleibenden Leistungsanteil wieder zu einer Frequenzkonversion, so dass sich ein entsprechend emittiertes frequenzkonvertiertes Licht 44B mit dem bereits von der Oberflächenschicht 50 reflektierten frequenzkonvertierten Licht 44A überlagert und zusammen mit diesem den frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl 44 ausbildet. Zur Verdeutlichung sind das Licht 44A und das Licht 44B getrennt voneinander in 6 angedeutet. Allgemein ist die Anordnung nicht auf zwei frequenzkonvertierende Elemente beschränkt.In 6 is shown as exemplified by a 10 micron primary laser beam 34 ' on an array of elemental structures 22 on a mirror substrate 40 meets. The frequency-converting element 32A Outgoing radiation thus includes frequency-converted light with appropriate polarization 44A (dashed line) and the remaining part of the reflected primary laser beam 34 ' (solid line). The following frequency-converting element 32C includes one in the wavelength range of the laser beam 34 transmitting and reflecting in the wavelength range of the frequency-converted processing beam surface layer 50 , Back of the surface layer 50 is the frequency-converting and metamaterial structure 42 forming metamaterial in a substrate 52 , The metamaterial again leads to a frequency conversion for the remaining power component, so that a correspondingly emitted frequency-converted light 44B with the already of the surface layer 50 reflected frequency-converted light 44A superimposed and together with this the frequency-converted processing beam 44 formed. For clarity, the light 44A and the light 44B separated from each other 6 indicated. Generally, the arrangement is not limited to two frequency-converting elements.

Die Ausführungsform gemäß 7 umfasst wieder das (erste) frequenzkonvertierende Element 32A, das nur dem Primärlaserstrahl ausgesetzt ist. Das sekundäre frequenzkonvertierende Element 32D umfasst allerdings ein im Wellenlängenbereich des frequenzkonvertierten Lichts 44A transmittierendes Substrat 52' und eine im Wellenlängenbereich des frequenzkonvertierten Lichts 44A reflektierende Rückseitenschicht 54, die auf einer Rückseite des Substrats 52' angeordnet ist. Auf einer Vorderseite 56 des Substrats 52 ist das frequenzkonvertierende und die Metamaterialstruktur 42 bildende Metamaterial angeordnet. An der Rückseitenschicht 54 kann ferner der Primärlaserstrahl 34' zusätzlich zum frequenzkonvertierten Licht 44A reflektiert werden. Entsprechend erlaubt es die Ausführungsform gemäß 7, eine Frequenzkonversionseinheit mit einer Mehrzahl von frequenzkonvertierenden Elementen aufzubauen, da zum einen der erzeugte frequenzkonvertierte Anteil 44A umgelenkt und zum anderen der verbleibende Anteil des Primärlaserstrahls 34' weitergeleitet wird. Dies ermöglicht eine effiziente Umwandlung des Primärlaserstrahls 44' in einen frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl 44, da sich nach dem frequenzkonvertierenden Element 32D das reflektierte Licht 44A mit dem neu erzeugten Licht 44B wie in 6 überlagert. The embodiment according to 7 again comprises the (first) frequency-converting element 32A which is exposed only to the primary laser beam. The secondary frequency-converting element 32D however, includes one in the wavelength range of the frequency-converted light 44A transmitting substrate 52 ' and one in the wavelength range of the frequency-converted light 44A reflective backsheet 54 on the back of the substrate 52 ' is arranged. On a front side 56 of the substrate 52 is the frequency converting and metamaterial structure 42 forming metamaterial arranged. At the backside layer 54 may also be the primary laser beam 34 ' in addition to the frequency-converted light 44A be reflected. Accordingly, it allows the embodiment according to 7 to build a frequency conversion unit with a plurality of frequency-converting elements, since on the one hand the generated frequency-converted component 44A and, secondly, the remaining portion of the primary laser beam 34 ' is forwarded. This allows efficient conversion of the primary laser beam 44 ' in a frequency-converted processing beam 44 , because after the frequency-converting element 32D the reflected light 44A with the newly generated light 44B as in 6 superimposed.

In einer alternativen oder zusätzlichen Modifikation kann gemäß der in 8 gezeigten Ausführungsform zwischen zwei frequenzkonvertierenden Elementen 32A, 32B ein Fokussierelement 58 vorgesehen werden. Das Fokussierelement 58 erlaubt es, die Intensität des Primärlaserstrahls 34'' während der Ausbreitung innerhalb der Frequenzkonversionseinheit bei einer entsprechenden Größe zur Gewährleistung einer effizienten Frequenzkonversion zu halten. So kann beispielsweise die Abnahme der Leistung des primären Laserstrahls durch die Frequenzkonversion kompensiert werden. Das fokussierende Element 58 ist beispielsweise eine Fokussierlinse, wie in 8 gezeigt. Alternativ oder ergänzend kann eine Faltung des Strahlengangs in der Frequenzkonversionseinheit über einen fokussierenden Spiegel erfolgen, wobei beispielsweise eine großflächige auf einem reflektierenden Substrat ausgebildete Metamaterialstruktur mehrfach bestrahlt wird. In an alternative or additional modification, according to the in 8th shown embodiment between two frequency-converting elements 32A . 32B a focusing element 58 be provided. The focusing element 58 allows the intensity of the primary laser beam 34 '' during propagation within the frequency conversion unit at an appropriate size to ensure efficient frequency conversion. For example, the decrease of the power of the primary laser beam can be compensated by the frequency conversion. The focusing element 58 is for example a focusing lens, as in 8th shown. Alternatively or additionally, the beam path can be folded in the frequency conversion unit via a focusing mirror, wherein, for example, a large-area metamaterial structure formed on a reflective substrate is repeatedly irradiated.

Neben der in Zusammenhang mit den 4 und 5 verdeutlichten Verwendung von orthogonalen linearen Polarisationsrichtungen für eine Schaltbarkeit zwischen einem Laserbearbeitungsstrahl und einem frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl können ebenso andere Polarisationsarten und Kombinationen von Polarisationsarten und Wechsel zwischen Polarisationsarten bzw. Wechsel zwischen Ausrichtungen von Polarisationsarten zur Verwendung unterschiedlicher Wellenlänge für die Laserbearbeitungsanlage in Abhängigkeit von eingesetzten Elementarstrukturen umgesetzt werden. Ein diskretes Schalten ist beispielsweise mit linearer Polarisation oder radialer/azimutaler Polarisation möglich, wogegen ein Schalten zwischen zirkularer und elliptischer Polarisation nur zu einem Verschieben von Leistungsanteilen zwischen frequenzkonvertiertem Bearbeitungsstrahl und primären Laserbearbeitungsstrahl führt.In addition to in connection with the 4 and 5 As well as using orthogonal linear polarization directions for switchability between a laser processing beam and a frequency-converted processing beam, other types of polarization and combinations of polarization types and changes between polarization-type orientations and polarization-type uses of different wavelengths for the laser processing equipment can also be implemented depending on elemental structures employed. Discrete switching is possible, for example, with linear polarization or radial / azimuthal polarization, whereas switching between circular and elliptical polarization only leads to a shift of power components between the frequency-converted processing beam and the primary laser processing beam.

Ferner kann, falls beispielsweise der bereitgestellte Laserbearbeitungsstrahl für die Werkstückbearbeitung in eine zirkulare Polarisation übergeführt werden soll, ein weiteres Polarisationszustand-einstellendes Element beispielsweise am Ausgang der Fokussiereinheit 46 (siehe 4 und 5) vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine entsprechende Verzögerungsplatte 47, z.B. eine (beispielsweise Zero-Order-)λ/4-Platte, vorgesehen werden. Die Verzögerungsplatte 47 kann drehbar gelagert oder in den Strahlengang einbringbar sein und ist insbesondere strahlabwärts der Frequenzkonversionseinheit im Bereich der Fokussiereinheit 46 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen oder ergänzend kann beispielsweise ein von der Steuerungseinheit 14 angesteuerter und in dem Fokussierelement 46 vorgesehener Faraday-Rotator entsprechend der jeweiligen Wellenlänge zur Polarisationsanpassung geschaltet werden.Further, if, for example, the provided laser processing beam for the workpiece processing is to be converted into a circular polarization, another polarization state adjusting element, for example, at the output of the focusing 46 (please refer 4 and 5 ). For example, a corresponding retarder plate 47 For example, a (eg zero-order) λ / 4 plate may be provided. The delay plate 47 can be rotatably mounted or be introduced into the beam path and is in particular downstream of the frequency conversion unit in the region of the focusing unit 46 arranged. In alternative embodiments or in addition, for example, one of the control unit 14 controlled and in the focusing element 46 provided Faraday rotator corresponding to the respective wavelength for polarization adjustment are switched.

Wie in 1 gezeigt weisen Laserbearbeitungsanlagen 1 üblicherweise Steuerungseinheiten zur Steuerung der verschiedenen Komponenten auf. Derartige Steuerungseinheiten können dazu ausgebildet werden, das Polarisationszustand-einstellende Element in Abhängigkeit von einem gewünschten Bearbeitungsmodus anzusteuern. Beispielsweise kann in einem Schneidmodus, in dem eine hohe Qualität der Schnittkante erzielt werden soll, der primäre Laserbearbeitungsstrahl und in einem Schneidmodus, in dem eine hohe Vorschubgeschwindigkeit eingesetzt werden soll, der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl für die Werkstückbearbeitung bereitgestellt werden.As in 1 shown have laser processing equipment 1 Usually control units for controlling the various components. Such control units may be configured to drive the polarization state setting element in response to a desired processing mode. For example, in a cutting mode in which high quality of the cut edge is to be achieved, the primary laser machining beam and in a cutting mode in which a high feeding speed is to be used, the frequency-converted machining beam for workpiece machining can be provided.

Entsprechend kann in einem beispielhaften Verfahren zum Bereitstellen eines Laserbearbeitungsstrahls und/oder eines frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl die Steuerungseinheit dazu genutzt werden, das Polarisationszustand-einstellende Element in Abhängigkeit von einem Bearbeitungsmode entsprechend anzusteuern.Accordingly, in an exemplary method for providing a laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam, the control unit can be used to correspondingly control the polarization state-adjusting element as a function of a processing mode.

Das vorausgehend in Zusammenhang mit 1 beschriebene Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsanlage bezieht sich beispielhaft auf die Blechverarbeitung. Allerdings ist das hier beschriebene Konzept nicht auf die Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken beschränkt. Vielmehr kann es auch bei der Bearbeitung von rohrförmigen oder dreidimensionalen variablen geformten Werkstücken und bei an Robotern angebrachten Laserbearbeitungsköpfen Anwendung finden. Ferner versteht sich, dass das hier beschriebene Konzept nicht nur bei einer Laserschneidmaschine, wie sie beispielhaft in 1 gezeigt wurde, sondern auch bei anderen Laserbearbeitungsmaschinen z.B. zum Laserhärten, Laserschweißen und Laserauftragsschweißen von Materialien bzw. an Stanz-Laser-Kombinationsmaschinen eingesetzt werden kann. Insbesondere kann es auch an Maschinen mit feststehendem oder nur in einer Richtung bewegbarem Bearbeitungskopf eingesetzt werden.That in connection with 1 described embodiment of a laser processing system refers to the sheet metal processing example. However, the concept described here is not limited to the machining of plate-shaped workpieces. Rather, it can also find application in the machining of tubular or three-dimensional variable shaped workpieces and robotic laser processing heads. Furthermore, it is understood that the concept described here not only in a laser cutting machine, as exemplified in 1 has been shown, but can also be used in other laser processing machines, for example for laser hardening, laser welding and laser deposition welding of materials or on punch-laser combination machines. In particular, it can also be used on machines with a fixed or only in one direction movable machining head.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly pointed out that all features disclosed in the description and / or the claims are considered separate and independent of each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range indications or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as the limit of a range indication.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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"METAMATERIAL WORLD", L. Billings, 8 August 2013, Vol. 500, pp. 138-140 [0010]

Claims

Beam guiding system ( 3 ) for a laser processing system ( 1 ) for the selectable machining of a workpiece ( 8th ) with a primary laser processing beam ( 6 ) and / or a laser-beam-based frequency-converted machining beam ( 44 ), with a jet entrance ( 3 ' ) for picking up a workpiece ( 8th ) to leading laser beam ( 34 ), a polarization state setting element ( 38 ) for providing a first polarization state ( 36A ) and / or a second polarization state ( 36B ) of the laser beam to be guided ( 34 ), a frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) with a metamaterial structure ( 42 ), the laser beam ( 34 ) in the first polarization state ( 36A ) is not frequency converted and as the primary laser processing beam ( 6 ) and that for the laser beam ( 34 ) in the second polarization state ( 36B ) one on the metamaterial structure ( 42 ) based frequency conversion for generating the frequency-converted processing beam ( 44 ) and a focusing unit ( 46 ) for focusing the primary laser processing beam ( 6 ) and / or the frequency-converted processing beam ( 44 ) on the workpiece to be machined ( 8th ).

Beam guiding system ( 3 ) according to claim 1, wherein the beam guiding system ( 3 ) a processing head ( 4 ) close to the workpiece and in particular with respect to the workpiece ( 8th ) is movably arranged and the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) and the focusing unit ( 46 ), so that the beam path of the beam guiding system ( 3 ) a first beam path section ( 3a ), the primary laser beam ( 6 ) from the beam entrance ( 3 ' ) to the machining head ( 4 ), and a second beam path section ( 3b ) in the processing head ( 4 ), wherein the first beam path section ( 3a ) is formed in particular at least partially by a free-jet guidance and / or a Lichtleitkabelsystem.

Beam guiding system ( 3 ) according to claim 1 or 2, wherein the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) a frequency-converting element ( 32A . 32B ) with a mirror substrate ( 40 ), wherein the surface of the mirror substrate ( 40 ) by a frequency-converting, the metamaterial structure ( 42 ) is formed, and the mirror substrate ( 40 ) in the wavelength range of the primary laser beam ( 34 ) and in the wavelength range of the frequency-converted machining beam ( 44 ) is reflective, and wherein in particular the back of the mirror substrate ( 40 ) is highly reflective coated.

Beam guiding system ( 3 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) a frequency-converting element ( 32C ), one in the wavelength range of the laser beam ( 34 ) and in the wavelength range of the frequency-converted processing beam ( 44 ) reflective surface layer ( 50 ) and a back of the surface layer ( 50 ), the frequency-converting and the metamaterial structure ( 42 ) has forming metamaterial, and wherein the surface layer ( 50 ) is formed in particular as a highly reflective dielectric mirror.

Beam guiding system ( 3 ) according to one of claims 1 to 4, wherein the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) a frequency-converting element ( 32D ), which has a in the wavelength range of the frequency-converted processing beam ( 44 ) transmitting substrate ( 52 ' ), one in the wavelength range of the frequency-converted processing beam ( 44 ) and in particular in the wavelength range of the primary laser beam ( 34 ) reflective backing layer ( 54 ) and one on the front ( 56 ) of the substrate ( 52 ), the frequency-converting and the metamaterial structure ( 42 ) has forming metamaterial.

Beam guiding system ( 3 ) according to claim 1 or 2, wherein the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) a transmission element ( 48 ) having a frequency-converting, the metamaterial structure ( 42 ) has forming metamaterial, which in particular on or in one of the wavelength ranges of the primary laser beam ( 34 ) and / or the frequency-converted processing beam ( 44 ) transmitting optical element ( 49 ) is arranged.

Beam guiding system ( 3 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) at least two frequency-converting elements ( 32A - 32D . 48 ) and in the beam path between the at least two frequency-converting elements ( 32A -D, 48 ) arranged optical focusing element ( 58 ), in particular at least one lens and / or a focusing mirror.

Beam guiding system ( 3 ) according to any one of claims 1 to 7, wherein the metamaterial structure ( 42 ) is adapted to the frequency-converted processing beam ( 44 ) at a harmonic of the frequency of the primary laser beam ( 34 ), in particular in the region of the second or third harmonic, and the metamaterial structure ( 42 ) comprises, in particular, a conductive structure, which, in accordance with electron movement due to the incident primary laser beam ( 34 ) for emitting one or more higher harmonics of the incident primary laser beam ( 34 ) is trained.

Beam guiding system ( 3 ) according to one of claims 1 to 8, wherein the polarization state-adjusting element ( 38 ), in particular rotatably mounted or in the beam path upstream of the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ) insertable λ / 2 or λ / 4 element and / or a Faraday rotator, and wherein the polarization state-adjusting element ( 38 ) especially in the processing head ( 4 ) is arranged.

Beam guiding system ( 3 ) according to one of claims 1 to 9, further comprising a, in particular rotatably mounted or can be introduced into the beam path downstream of the frequency conversion unit ( 30 . 30A . 30B ), in particular in the area of the focusing unit ( 46 ), arranged λ / 4 element for generating in particular a circular polarization for the machining of the workpiece ( 8th ).

Laser processing system ( 1 ) for the selectable machining of a workpiece ( 8th ) with a laser processing beam ( 6 ) and / or one on a primary laser beam ( 34 ) based frequency-converted processing beam ( 44 ), with a primary laser beam ( 34 ) providing laser beam source ( 2 ), a beam guiding system ( 3 ) according to one of the preceding claims and in particular a workpiece storage unit ( 5 ).

Laser processing system ( 1 ) according to claim 11, wherein the laser beam source ( 2 ) a CO2 laser system for generating the primary laser beam ( 34 ) with a wavelength in the range around 10 μm or a solid-state laser system ( 16 ) for generating the primary laser beam ( 34 ) having a wavelength in particular in the range of 2 microns or 1 micron.

Laser processing system ( 1 ) according to claim 11 or 12, further comprising a control unit ( 14 ), which is adapted to the polarization state-adjusting element ( 38 ) in response to a processing mode, in particular, in a high quality cutting mode, the primary laser processing beam (FIG. 6 ) and in a high-speed cutting mode, the frequency-converted machining beam ( 44 ) for workpiece machining.

Method for providing a laser processing beam ( 6 ) and / or one on a primary laser beam ( 34 ) based frequency-converted processing beam ( 44 ) for machining a workpiece ( 8th ) comprising the following steps: providing a laser processing system ( 1 ) according to one of claims 10 to 13, causing the control unit ( 14 ), the polarization state setting element ( 38 ) in response to a machining mode such that, in a high quality cutting mode, the primary laser beam is used as the laser processing beam (FIG. 6 ) and in a high-speed cutting mode, the frequency-converted machining beam ( 44 ) is provided for the workpiece machining, and performing the workpiece machining.